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汽车水箱散热器的构造_上海汽车水箱散热器
tamoadmin 2024-05-15 人已围观
简介风冷:思民、猫头鹰、利民、极酷冻凌、捷冷--变形金刚 TT、AVC、银欣、Tuniq Tower 、ZEROtherm、超频3 、华硕……热管风冷,当前中高端主流散热方式 为了应付处理器不断增长的散热需求,散热器的发展也日新月异,先前是以开发散热片的材质为主导,从铝材发展到铝+铜,再到纯铜散热器。然而当处理器TDP达到一定高度后,仅靠改善散热片制造原料和增加散热器体积来提升散热效率,很难再有提高
风冷:
思民、猫头鹰、利民、极酷冻凌、捷冷--变形金刚
TT、AVC、银欣、Tuniq Tower 、ZEROtherm、超频3 、华硕……
热管风冷,当前中高端主流散热方式
为了应付处理器不断增长的散热需求,散热器的发展也日新月异,先前是以开发散热片的材质为主导,从铝材发展到铝+铜,再到纯铜散热器。然而当处理器TDP达到一定高度后,仅靠改善散热片制造原料和增加散热器体积来提升散热效率,很难再有提高和突破。各大生产散热器厂家开始以散热方式为技术变革的方向,从风冷、半导体制冷到热管,再到水冷、水+冰冷甚至更极端的干冷和液氮制冷。
在2003年,业界就有人提出“风冷还能坚持多久”的疑惑,挤压热表面,实现高低不等能量体传递能量,这几乎是当时风冷散热一致性的散热传导模式,普通的风冷模式确实跟不上处理器TDP发展的脚步。而当水冷散热器刚刚显身之时,因为其良好的散热能力,人们似乎一下发现了新大陆,纷纷预测未来将是水冷的天下。
几年时间过去了,水冷仍然只在少部分玩家中使用,一直未跻身主流行列。虽然从散热性能上看还是以水冷占优势,但是它价格偏高,安装不易,占空间大,且安全性低,另外水(或者其它替代液体)会有变质和内部材料氧化的问题。
除水冷自身缺点以外,使它衰落的另一个原因则是热管的出现。当热管进入到PC领域后,传热材料的散热技术获取了突破从而令人们放弃了水冷,所以水冷的发挥空间正在逐渐变小,未来将慢慢淡出市场,热管式风冷是目前主要的散热方式。
值得我们注意的,就是CPU的发热量增加速度已经放缓,预计未来3年内TDP功率超过130W的怪物级主流CPU不会再出现,而目前的热管风冷技术已经足够满足CPU的散热需求。随着热管产能增加与工艺的成熟,我们预计热管散热器的售价也会进一步下调,从目前的中高端市场进入低端市场,被更多用户选择。
热管技术简析
热管散热是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术,1963年由美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明,并率先由IBM最初引入笔记本中。热管的出现已经有数十年的历史,而在PC散热领域被广泛采用还是近些年的事,但发展迅猛。小到CPU散热器、显卡/主板散热器,大到机箱,我们都可以看到热管的身影。
热管具有热传递速度极快的优点,安装至散热器中可以有效的降低热阻值,增加散热效率。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量,具有极高的导热性,高达纯铜导热能力的上百倍,有“热超导体”之美称。工艺过关、设计出色的热管CPU散热器,将具有普通无热管风冷散热器无法达到的强劲性能。
从技术角度看,热管的核心作用提高热传递的效率,将热量快速从热源带离,而非一般意义上所说的“散热”——这则涵括与外界环境进行热交换的过程。热管的动作温度范围十分宽广。从零下200度 ~1000度均可使用热管导热。
热管的工作原理很简单,热管分为蒸发受热端和冷凝端两部分(具体到产品上,受热端就是和散热器底座接触的部分)。当受热端开始受热的时候,管壁周围的液体就会瞬间汽化,产生蒸气,此时这部分的压力就会变大,蒸气流在压力的牵引下向冷凝端流动。蒸气流到达冷凝端后冷凝成液体, 同时也放出大量的热量,最后借助毛细力回到蒸发受热端完成一次循环。
典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成,将管内抽到的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),根据需要可以在两段中间布置绝热段。
◆ 烧结热管和沟槽热管
液体冷凝的过程会采用到毛细原理,因此毛细结构是一根合格热管产品的核心。它主要有三个作用:一是提供冷凝端液体回流蒸发端的通道,二是提供内壁与液体/蒸气进行热传导的通道,三是提供液气产生毛细压力所必须的孔隙。毛细结构分为四种:丝网、沟槽、粉末烧结与纤维四种。在PC散热器上,大部分都是沟槽与粉末烧结两类结构,POWDER(烧结热管)占80% ;GROOVE(沟槽热管)占20%。
烧结式热管,其毛细结构是通过高温下铜粉烧结制造而成的。我们最常见的水介质烧结式热管制造流程大致为:选取99.5%纯度的铜粉,铜粉单体粒径控制在75~150微米。使用工具将外径5mm红铜管内部清除干净,去除毛刺,接着将铜管放到稀硫酸中使用超声波清洗。清洗干净之后我们将得到一根内外壁皆十分光滑、无氧化物的铜管。此时将一根细钢棍插到铜管里(需要工具精确地将钢棍儿固定在铜管的中央,以方便铜粉均匀填充),将铜管底部用铜片暂时封闭。接着就可以把纯铜粉倒入铜管了。装填完毕之后就可以拿到烧结炉进行烧结。在烧结过程中,温度的把控也很重要。烧结完成之后使用一个辅助工具把铜管加紧,使用工具把钢棍抽出即可。
严格按照上述流程制造的烧结式热管,每个部分的毛细结构渗透率都应该大致相同,铜粉烧结块分布厚度大致均匀。当我们拆开热管仔细观察,就可以发现该热管的烧结工艺是否过关了。
沟槽式热管是热管毛细结构中比较制造简单的一种,采用整体成型工艺制造,成本是一般烧结式热管的2/3。沟槽式热管生产方便,但缺点十分明显。沟槽式热管对沟槽深度和宽度要求很高,而且其方向性很强。当热管出现大弯折的时候,沟槽式方向性的特性就成了致命缺点,导致导热性能大幅度下跌。
目前市面中有些廉价的热管散热器,这其中也包括了某些显卡散热器,虽然采用了热管,基本上沟槽式的,因此性能必然不会像高端热管那样优秀,不能对这种产品的散热性能抱以过多的希望。
◆ 热管的弯曲
热管直通的状态下具有最好的热传递效能。但是在实际使用中,热管经常要被弯曲。弯曲后的热传递性能会出现不同程度下降,这也与工艺好坏有密切联系。热管弯曲有一点必须要注意:在弯曲部位要尽量保持直径无变化,或是变化很小。如果出现严重形变,比如本来圆柱形的外壁变成扁平形状,则会大幅降低热传导性能,因为过大的形变会导致热管内部的毛细结构部分中断。
沟槽热管在这方面非常敏感,当沟槽管弯曲90度,导热性能大降,甚至只能达到原来性能的1/2。部分采用沟槽管的散热器甚至将其弯曲180度,那样的效果可想而知了。而烧结式热管在弯曲时的敏感度就小多了,虽然弯曲后性能也会有部分下降,但是并不明显。一般高端的热管散热器中可以见到烧结管的身影。
如果价格非常低(双热管或以上)并且弯曲角度很小(最多90度)的,大多数都是采用沟槽管的。多道弯曲的都是采用烧结管(当然并不绝对,但是基本如此)。
◆ 热管的直径
以热管长度均为150mm计算,经过有关权威机构测试,直径为3mm的热管其热阻值为0.33(测试物体温度变化区间60~90度)。而直径为5mm的时候,热阻立刻降到了0.11,已经可以满足绝大部分场合对导热的要求了。而当热管直径扩大到8mm的时候,热阻竟然达到了0.0625,这是大部分金属材质散热器难以企及的热阻。
不同直径的热管,最大导热量区别有多大呢?台湾某研究所给出了一组参考数值。直径为3mm的正品热管,2.8个标准热传递周期中只能传递15W(15焦耳/s)的热量。而直径为5mm的热管,在1.8个热传递周期最大热量传递达到了45W,是3mm热管的3倍!而8mm的热管产品只需0.6个周期就可以传递高达80W的热量。如此高的传热量,如果没有良好的散热片设计和风扇配合,很容易导致热量无法正常发散。
显然,热管的直径对传热有很明显的影响,越大效果超好,目前中高端热管散热器中多采用6mm的热管,也有个别是用的8mm产品。
◆ 热管与鳍片的结合
热管有着优秀的热传导能力,能将处理器的热量很快的转移走,但要依靠热管那小小的散热面积将热量转到空气中是不可能,必须借助更多的散热鳍片。因此热管与鳍片如何完美结合,是非常关键的。目前主要有两种方式,焊接和穿fin。
热管与鳍片最常见的连接工艺就是焊接,界面热阻值较低,但是成本较高。比如铝鳍片与铜热管焊接,则需要先将热管表面电镀镍,方可与铝鳍片焊接到一起。焊接热管的工艺都有一个很明显的特征,就是在热管上方有焊孔。焊接过程中产生的气泡和不均匀都会导致散热效率受损。
穿Fin就是通过机械手段让热管直接穿过鳍片。这种工艺成本很低,工序简单,但是对工艺本身的技术要求较高,否则很容易使热管与鳍片之间的接触不紧密而导致界面热阻过高。合格的穿Fin工艺加工出来的散热器,热管与鳍片截面热阻几乎完全等同于焊接,但成本却能大幅降低。实际上,穿Fin工艺是AVC的专利技术,使得AVC散热器既能有强大的散热性能,还可保持相对低廉的售价。富士康的冲压铆接技术与穿fin类似。
焊接与穿Fin在性能上基本没有差别。但是在成本方面,焊接会比穿Fin高出每热管1美元左右的幅度,所以焊接工艺的热管散热器价格普遍都比较高。
当前中高端风冷散热器特点
中高端风冷散热器,足以应付现在的主流CPU散热需求。最显著的特点是热管的全面应用,并且是多热管方式(4根以上),热管普遍采用烧结式热管,直径多为6mm。除了成熟的热管技术应用外,还有些其它特点:
◆ 侧向吹风
有些事件在悄悄改变,比如散热器风扇的安装方式。传统的散热器安装方式是风扇在顶部,气流朝下,即垂直于CPU。现在多数在改进风道设计,风扇改为侧向吹风,让气流的方向平行于CPU。
侧向吹风的首要好处是彻底解决风力盲区,因为气流是平行通过散热鳍片的,气流截面的四条边上的气流速度最快,而CPU的发热点正好位于一条边上。这样CPU散热底座吸收的热量可以被及时带走。另外一个好处是没有反弹的风压(通常向下吹风时,一部分气流冲至散热底面并反弹,这会影响散热器内的气流运动方向,使的热交换的效率受到损失)。热交换效率要高于向下吹风。
当然侧面吹风的也有缺点,就是不能直接吹到到热源——底面。所以,侧面进风的关键就是如何尽快的把底面的热量带到风道。这就给热管有了发挥的舞台,热管+密集散热鳍片的配置,让底部的热量尽快传递到散热鳍片上。
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